沙紋床面水流特性研究

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1、沙紋床面水流特性研究　　摘要：沙紋的形成與水流強(qiáng)度有密切的關(guān)系。沙紋床面的下水流特性研究一直以來缺少有力的研究成果。本文采用單點(diǎn)測量設(shè)備ADV（acousticDopplervelocimetry）在實(shí)驗(yàn)水槽中對固化沙紋床面下水流特性進(jìn)行細(xì)致研究。研究因素包括了沙紋床面下水流的時(shí)均流速、雷諾應(yīng)力、相關(guān)系數(shù)等紊流特性。其成果對于沙紋的成因有積極意義。關(guān)鍵詞：沙紋床面；水流特性；ADV；紊流作用泥沙顆粒在一定的水流作用下形成沙紋，沙紋在一定的水流條件下進(jìn)一步形成沙壟。研究沙紋的形成、運(yùn)動(dòng)、發(fā)展，對于計(jì)算推移質(zhì)輸移動(dòng)、河道的形成等眾多理論與實(shí)際問題都有重要的意義。對

2、于沙紋的成因，鄭兆珍、王尚毅[1]從共振波理論出發(fā)，認(rèn)為水流作用在泥沙顆粒上的推動(dòng)力，可分解為時(shí)均力和脈動(dòng)力；脈動(dòng)力又可理解成多級(jí)向量諧波的綜合作用結(jié)果。從而在均勻水流中，對于每級(jí)諧波而言，每個(gè)或幾個(gè)整波長處的對應(yīng)相位沿流程一致。按照共振理論設(shè)想作周期性擺動(dòng)著的泥沙顆粒，其自身具有檢波性質(zhì)。白玉川等人[2，3]發(fā)展了鄭兆珍的觀點(diǎn)，認(rèn)為擾動(dòng)切應(yīng)力頻率接近泥沙固有頻率，則泥沙顆粒產(chǎn)生共振，此時(shí)床面發(fā)生響應(yīng)，沙紋發(fā)展速度最快。毛野、張志軍[4，5]論述了國內(nèi)外對明渠紊流擬序結(jié)構(gòu)、泥沙運(yùn)動(dòng)與床面形態(tài)、擬序結(jié)構(gòu)與泥沙運(yùn)動(dòng)和擬序結(jié)構(gòu)與床面形態(tài)等方面的研究進(jìn)展。其分析認(rèn)為，

3、沙紋床面對明渠水流擬序結(jié)構(gòu)特性有重要影響。水流在沙波頂部分離，沙波周圍高于沙紋頂部的流區(qū)為自由紊流區(qū)，低于沙波頂部的區(qū)域?yàn)樯巢ㄎ闪鲄^(qū)；在自由紊流區(qū)典型的剪切混合層也有顯著的噴射和清掃為主要特征的猝發(fā)現(xiàn)象；在沙波紊流區(qū)的沙波迎水坡面上水流分離，在背水坡附近產(chǎn)生渦旋；自由紊流區(qū)域沙波紊流區(qū)之間的紊流擬序結(jié)構(gòu)不同，它們相互作用的結(jié)果產(chǎn)生了特有的泡漩現(xiàn)象；沙波紊流區(qū)域和自由紊流區(qū)的紊流擬序結(jié)構(gòu)對可沖積河流的水流與泥沙運(yùn)動(dòng)有決定性作用。構(gòu)造一個(gè)合理的概化沙紋代替天然沙紋并能反映沙紋條件下的水流結(jié)構(gòu)是本文的研究出發(fā)點(diǎn)。1實(shí)驗(yàn)設(shè)備聲學(xué)多普勒測速儀（acousticDoppl

4、ervelocimetry，ADV），通常也稱超聲多普勒測速儀。它是利用聲波的多普勒效應(yīng)來測量流體運(yùn)動(dòng)速度。由于ADV的測量點(diǎn)與發(fā)射、接受之間存在一定的距離，儀器本身對所測量部分的流場所造成的干擾可以忽略，因此ADV通常被認(rèn)為是一種非接觸式測量，可以測量三維速度。其具有精度高、無需率定、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)中用的ADV系從美國Sontek公司引進(jìn)的，其具有性能穩(wěn)定、對水體無干擾、測量精度高、與激光測速儀相比價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。但由于該ADV是采用俯視式，所以接近水面5～6cm的水深位置是測試盲區(qū)。本實(shí)驗(yàn)所采用的ADV各項(xiàng)性能指數(shù)如表1所示。圖1為實(shí)驗(yàn)中的ADV裝

5、置。2實(shí)驗(yàn)方案根據(jù)前期沙紋動(dòng)床研究成果[6]，本次試驗(yàn)研究中出現(xiàn)頻率最高的二維沙紋的形狀：波高1.5cm，迎水面波長14cm，背水面長度2cm，如圖2、3所示。此種情況下的背水面的角度為36.9°，這與文獻(xiàn)[7]中所提及的天然泥沙水下休止角范圍32°～34°較為接近。選擇該沙紋形態(tài)作為水流特性研究的概化床面，其制作材料為5mm的有機(jī)玻璃板，制作過程保持沙紋的迎水、背水坡面的平整、縫隙密封，并可以承受實(shí)驗(yàn)過程中的水壓力。測點(diǎn)的布置為：沙紋尺寸高度hs為1.5cm，沙紋的背水面的水平長度為2cm（測點(diǎn)間隔1cm，共3個(gè)測點(diǎn)），迎水面選取測量

6、長度為12cm（測點(diǎn)間隔3cm，共4個(gè)測點(diǎn)）。x方向?yàn)樗鞯姆较颍瑉方向?yàn)榇瓜?。坐?biāo)原點(diǎn)O定位于測試斷面1#的水平投影點(diǎn)位置。3結(jié)果分析3.1時(shí)均流速圖4.1-4.2為沙紋床面縱向流速分布圖，在不同的測量斷面靠近床面底部縱向流速的變化各不相同。在沙紋波谷處（斷面3#）以及迎水坡面（4#斷面），流速?zèng)]有出現(xiàn)明顯回流趨勢，這與前人的研究成果[8-10]比較，有些不同。分析其主要原因是，本研究中的沙紋波高值較?。╤s=1.5cm），以致水流的回流不是很明顯，在圖中顯示的結(jié)果近似為零。在斷面5#之后，縱向流速分布沿程分布大體是符合明渠水流的分布規(guī)律。從垂向的流速分布也

7、可以進(jìn)一步分析水流的分離點(diǎn)。圖4.2為沙紋床面垂向流速分布，圖中2#～4#斷面的基點(diǎn)為第一、二、三條虛線，為了便于觀看，將它們平移到圖中現(xiàn)在的位置。從圖中可以看出，斷面2#～4#，靠近床面附近的距離垂向流速為負(fù)值，說明水流存在明顯回流。5#斷面之后垂向流速值在垂直方向上變化很小，幾乎為零，這說明水流呈現(xiàn)明顯的二維性。因此，本次實(shí)驗(yàn)中的水流分離點(diǎn)的位置約為5.0倍沙紋高度（x≈5.0hs）。在荷蘭的Delft實(shí)驗(yàn)室的研究中，研究者（vanMierlo，M.C.L.M.anddeRuiter，J.C.C1988）[11]給出了一個(gè)結(jié)果為：x=5.2hs

8、，與本文的試驗(yàn)結(jié)果甚為接近。3.2雷諾